Energiespeicher für die Energiewende Bedarf, Stand der Technik und Alternativen

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1 Energiespeicher für die Energiewende Bedarf, Stand der Technik und Alternativen Kieler Energiediskurs Gespräche zur Energiepolitik Univ.-Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC RWTH Aachen University Contact: batteries@isea.rwth-aachen.de Jägerstrasse (ISEA) Mathieustrasse (E.ON ERC) Hüttenstrasse (Test center) Technologien für elektrische Energiespeicher Redox-Flow Batterien Wasserstoff Pumpspeicher Supraleitende Spulen Elektromobilität Eigenverbrauch in PV-Anlagen Schwungrad Supercapacitors Doppelschichtkondensatoren Batterien - Blei, Lithium, NaNiCl,... Druckluft

2 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Sekunden bis Minuten Kurzzeitspeicher Hohes Leistung zu Energieverhältnis Energiebereitstellung bei Volllast für weniger als 15 min Hohe Zyklenzahlen Tagesspeicher mittelfristige Energiespeicher Energiebereitstellung im Bereich von einer bis zehn Stunden Typischerweise geeignet nur für den Ausgleich innerhalb eines Tages Ein bis zwei Zyklen pro Tag Wochen bis Monate Langzeitspeicher Energiebereitstellung über viele Tage bis zu einem Monat Ausgleich z.b. für lang anhaltende Flautenphasen oder saisonale Schwankungen Wenige Zyklen pro Jahr Zentrale Fragen zur Energiespeicherung 1. Wie viel Speicherkapazität wird benötigt? 2. Welche Eigenschaften müssen die Speicher haben? 3. Gibt es einen Wettbewerb zwischen Netzen und Speichern? 4. Wo sollten die Speicher stehen? 5. Gibt es ein Problem, die notwendige Speicherkapazität aufzustellen? 6. Welche Unterstützungsmaßnahmen sind notwendig, um Speichertechnologien in den Markt zu bekommen?

3 Vorhersage des Speicherbedarfs ist schwierg, weil der Bedarf sehr sensibel reagiert auf... Kraftwerksmix (z.b. Anteil fluktuierender und nicht-fluktuierender Stromerzeuger, fossil gefeuerte Kraftwerke mit oder ohne CCS) Netzausbau (insbesondere transnationale Netze) Kosten der Speichersysteme Kapazitäten von Speichersystemen mit Doppelnutzen Speicher sind kein Selbstzweck, d.h. es geht nicht um eine Maximierung der Speicherkapazitäten. Es gibt immer auch technische Alternativen zu Speichern. Eine gesamtwirtschaftliches Optimum muss gefunden werden. Sensibilität des Energiesystems bzgl. verschiedener Technologie- und Akzeptanzoptionen Flexibilität durch Lokalisierung von Erzeugern, Netze und Speicher Ein Beispiel für die Art der Szenario-Analyse, die wir brauchen, um den Bedarf an Speicherkapazitäten und Technologien ableiten zu können.

4 Sensibilität des Energiesystems bzgl. verschiedener Technologie- und Akzeptanzoptionen Berechnungsgrundsätze grüne Wiese 100% Versorgung nur mit PV und Wind Europa aufgeteilt in Regionen Vorgabe für jede Region: Last-, Wind- und Einstrahlungszeitreihen Freie Verteilung von PV- und Windgeneratoren, Leitungen und Speichern Drei Speicherklassen: Kurzzeit (ca. 4 Stunden, Annahme NaS Batterie), Pumpspeicher (ca. 16 Stunden), Langzeitspeicher (> 4 Wochen, Annahme Gas) Berechnung für 5 Jahre mit unterschiedlichen (historischen) Wetterdatensätzen Keine Flexibilitäten bei Lasten Berechnung auf Kostenbasis, keine Marktmodelle Vergleich Basisszenario Szenario keine Langzeitspeicher Pumpturbine H 2 GuD Batterie (installierte Ausspeicherleistung) kein Langzeitspeicher Basis (Vorgabe: 80% netto Eigenversorgung jeder Region)

5 Vergleich Basisszenario Szenario max. Kuppelleistung 5 GW Pumpturbine H 2 GuD Batterie (installierte Ausspeicherleistung) max. 5GW Kuppelleistung Basis (Vorgabe: 80% netto Eigenversorgung jeder Region) Vergleich von Beschränkungen der Speichertechnologien und der Kuppelleistung Kosten ( ct/kwh) 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Basis alle Speicher Keine Pumpspeicher Keine Kurzzeitspeicher Netzkoppelung max. 5 GW Netzkoppelung max. GW, keine Eigenversorgungsquote Basis kps kkzs KLL5GW ksvq KLL5GW Keine Langzeitspeicher klzs

6 Vergleich von Beschränkungen der Speichertechnologien und der Kuppelleistung Kosten ( ct/kwh) 12,0 Variation zwischen 25% PV / 75% Wind und 75% PV / 25% Wind führt zu Kostenschwankungen von weniger als 5% (optimale Aufstellorte in Europa vorausgesetzt) 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0PV 100W 16PV 84W 25PV 75W 50PV 50W Basis 75PV 25W 82PV 18W 100PV 0W Sensibilität des Energiesystems bzgl. verschiedener Technologie- und Akzeptanzoptionen Gesamtsystemoptimierung unter Randbedingungen, z.b. Keine Begrenzte Netzausbaukapazitäten Eigenversorgungsquoten jeder Region Kostenannahmen für alle Komponenten Vorgaben zu Anteilen PV und Wind Beschränkungen im Bereich der Speicher

7 Flexibilitäten in der Energieversorgung Nur die Betrachtung der komplexen Zusammenhänge zwischen den Energiesektoren und Technologien erlaubt eine Ableitung des Systemausbaus (Netze, Speicher und Flexibilitätstechnologien). Versuch einer Begriffsbestimmung Flexibilität im Netz bedeutet: Bereitstellung von negativer und/oder positiver Ausgleichsleistung Unterscheidung der Flexibilitätstechnologien nach Reaktionsgeschwindigkeit Energie-/Leistungsverhältnis ( max. Dauer der Bereitstellung) Kostenstruktur (beinhaltet u.a. Lebensdauer, Wirkungsgrad, O&M) Lokalisierung bzgl. Netzebenen Fähigkeit zur Bereitstellung von Netzserviceleistungen (Regelenergie, Blindleistung, etc.) Speicher liefern positive und negative Ausgleichsleistung E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen

8 Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Strom zu Strom positive und negative Regelenergie Speicher nimmt Strom aus dem Netz auf und gibt Strom in das Netz ab Irgendwas zu Strom positive Regelenergie System generiert Strom aus einem speicherbaren Energieträger oder stellt dem Netz Strom durch Verzicht zur Verfügung Strom zu Irgendwas negative Regelenergie Strom wird verwendet und in einen anderen niederwertigeren Energieträger umgewandelt oder vernichtet Netzausbau Doppelnutzen- Speicher Stromgeführte KWK-Anlagen Speichertechnologien sind ein Element im Abschaltung von EE-Anlagen Portfolio der Flexibilitätstechnologien. Power-to-Gas (Chemicals) Power-to-Heat Intelligente Netze Flexible konventionelle Kraftwerke Demand Side Management (Industrie) Bedarfsgesteuerte Biogasanlagen Demand Side Management (Haushalte inkl. Elektromobilität)

9 Beispiel Netzausbau Prioritäten bei der Infrastrukturplanung: im Übertragungsnetz: 1. Last- und Erzeugungsmanagement 2. Netzausbau 3. Speicher im Verteilnetz: 1. Last- und Erzeugungsmanagement 2. Speicher und/oder Netzausbau Zentrale Herausforderung: Energiesysteme müssen verknüpft werden Elektromobilität Wärmepumpen Vehicle to grid Strom Mobilität Biogasanlagen Power to gas Wärme Power to chemicals Brennstoffzellenfahrzeuge Gasfahrzeuge Gas KWK-Anlagen

10 Beispiel Power to Gas power to gas Liefert Negative Regelleistung Komponenten: Elektrolyser, ggf. H 2 CH 4 Reaktor, Gaspipelines und Gasspeicher Bringt CO 2 -freie Energie vom elektrischen in die nicht-elektrischen Energiesektor Gasspeichersystem Liefert positive und negative Regelleistung Komponenten: Elektrolyser, Gasspeicher, Brennstoffzelle oder Gasturbine Anwendung: gesicherte Leistung durch Langzeitspeicher Energiesysteme müssen verknüpft werden Effizienz und Kosten beachten Strom mittel Mobilität hoch Wärme gering / mittel Gas Transportkosten

11 Energiesysteme müssen verknüpft werden Effizienz und Kosten beachten Strom hoch Mobilität hoch gering Wärme gering Gas Speicherkosten Strom zu Wärme ein Tabu? PV-Strom: 13 ct/kwh el Wärmepumpe (LZ = 3,5) 3,7 ct/kwh th Preis für Wärme durch Gas für Haushalte: 5 7 ct/kwh th (Vergl.: Wärme aus solarthermischer Anlage für Warmwasser: ct/kwh) Wärmepumpe Quelle:

12 Energiesysteme müssen verknüpft werden Effizienz und Kosten beachten 85% 100% - 350% 93% Strom Mobilität 60% 60% - 75% Wärme Gas 25% - 50% 100% Umwandlungswirkungsgrade Beispielhafte Konversions-, Speicher- und Transportpfade bis Endenergienutzung Strom aus Windkraft Batterieelektrisches Fahrzeug Strom Fern-Transport Strom zu Antrieb 93% x 80% = 74,4% Strom aus Windkraft Fahrzeug mit ICE (CH 4 ) Power 2 Gas (Methan) Gas Fern Transport Gas 2 Mobility 65% x 90% x 30% = 17,6% Strom aus Windkraft Wärmeenergie aus saisonalem Wärmespeicher Strom Fern-Transport Power 2 Heat (Wärmepumpe) LangzeitWärmespeicher Wärme Nah-Transport 93% x 300% x 75% x 90% = 188% Strom aus PV Anlage Wärmeenergie durch Gasbrenner nach Gasspeicherung Strom Nah-Transport Power 2 Gas (Methan) Langzeitgasspeicher Gas 2 Heat 98% x 65% x 90% x 95% = 54,6% Alle Beispiele sind exemplarisch, Wirkungsgrade variieren je nach eingesetzter Technik Vollständige Betrachtung muss Kosten und Technologieakzeptanz berücksichtigen

13 Zwischenfazit Flexibilitätstechnologien Hohe Flexibilitätspotentiale im konventionellen System Demand side Management (lastseitig) Konventionelle Kraftwerke Netzausbau KWK und Power to Heat Noch fehlen Anreize, diese umfassend zu nutzen Marginale Kosten zur Nutzung der Flexibilität sind in vielen Fällen geringer als für die Errichtung von speziellen Netzspeichern Gebraucht werden Speicher & Netze Im Gegensatz zum Gasnetz ist das elektrische Netz kein Speicher. Für elektrische Netze gilt: Netze ermöglichen eine Verschiebung von Leistung im Raum. Speichersysteme ermöglichen eine Verschiebung von Energie in der Zeit. Netze und Speicher ergänzen einander und können sich gegenseitig nie vollständig ersetzen.

14 Klassifizierung von Speichern für Strom und Technologien für Ausgleichsenergie Generalisierung: Speicher sind eine Technologie zur Bereitstellung von Regel- und Ausgleichsenergie Klassifizierung aus Sicht des Marktes und der Marktstruktur für Ausgleichsenergie: Errichtungsstruktur (zentral vs. dezentral, Anlass für Errichtung) Bereitstellungsdauer von Energie und Leistung Regelenergieanbieter (positive und/oder negative Regelleistung) Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Sekunden bis Minuten Kurzzeitspeicher Hohes Leistung zu Energieverhältnis Energiebereitstellung bei Volllast für weniger als 15 min Hohe Zyklenzahlen Tagesspeicher mittelfristige Energiespeicher Energiebereitstellung im Bereich von einer bis zehn Stunden Typischerweise geeignet nur für den Ausgleich innerhalb eines Tages Ein bis zwei Zyklen pro Tag Wochen bis Monate Langzeitspeicher Energiebereitstellung über viele Tage bis zu einem Monat Ausgleich z.b. für lang anhaltende Flautenphasen oder saisonale Schwankungen Wenige Zyklen pro Jahr

15 Lokalisierung bzgl. der Netzebenen Bei beschränkter Netzkapazität müssen Probleme gelöst werden, wo sie auftreten Stromerzeugung Wind Photovoltaik 220 / 380 kv 110 kv 10/20 kv 400 V Flexibilitätstechnologien (Beispiele) Pumpspeicher power to H 2 / CH 4 Netzkopplung konv. Kraftwerke Lastmanagement power to H 2 / CH 4 Biogasanlagen Netzausbau (inkl. Trafos) Lastmanagement Speicher KWK Biogasanlagen Lastmanagement Elektrofahrzeuge Batterienspeicher Power to heat Klassifizierung von Speichern für Strom und Wettbewerbstechnologien Zentrale Speichersysteme Typischerweise nur als große Einheiten wirtschaftlich betreibbar Meist an spezielle Standorte (z.b. Pumpspeicher, Druckluft) gebunden Modulare Speichersysteme Speicher sind aus kleinen Einheiten aufgebaut Aufbau ist nicht an bestimmte Umgebungsvoraussetzungen gebunden Mit wachsender Größe kaum wirtschaftliche Skaleneffekte Modulare Speichersysteme mit Doppelnutzen Speicher erfüllen einen anderen Primärzweck Netzdienstleistung sind ein kostengünstig anbietbarer Zusatzverdienst

16 Beispiel für Größe von Batteriespeichern 20 Fuss-Container mit 1 MWh / 1 MW Angebot auf HannoverMesse 2012 für ca (inkl. Leistungselektronik, ohne MS-Anschluss) 600 solcher Container liefern die gesamte Primärregelenergie für Deutschland Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m)

17 Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Energie Beispiel für Größe von Batteriespeichern Modernste Klasse von Containerschiffen haben Platz für rund Container (Grundfläche rund 400 m x 56 m) Gefüllt mit Batteriecontainern entspricht dies einer Kapazität von 15 GWh / 15 GW (alle deutschen PSK haben zusammen 40 GWh / 6 GW) Leistung

18 Beispiel für Größe von Wasserstoffspeichern Heute vorhandene Kavernenspeicherkapazität in Deutschland für Erdgas: ca. 20 Mrd. m 3 Mit Wasserstoff gefüllt kann daraus 3 Wochen Strom für Deutschland produziert werden (Rückverstromung mit 60% Wirkungsgrad über GuD-Kraftwerke oder Brennstoffzellen) Alternative Langzeitspeichertechnologie: Sehr große Wasserspeicher z.b. in Skandinavien Skandinavien mit großem Potential Aber: hohe Netzleistungen notwendig Investitionskosten müssen sehr gering sein, weil Kosten vor allem durch Kapitalkosten dominiert sind Wasserkraftanlage Harspranget / Schweden 939 MW, 2 TWh/Jahr

19 Beispiel: Speicher, die sowieso da sind und zusätzlich Netzdienstleistungen liefern können Speichersysteme werden für einen anderen Primärnutzen angeschafft Netzserviceleistungen bieten eine zusätzliche Einnahmequelle Sehr hohes Potential Vehicle to grid Eigenverbrauch in PV-Anlagen Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) Typischerweise in Szenariountersuchungen gar nicht oder nur mit begrenztem Potential enthalten Virtuelle Großspeicher durch verteilte Speicher in Fahrzeugen (Plug-in Hybride) Hohes Potential mit bi-direktionalen Ladegeräten bei intelligenter Steuerung Besonders geeignet für schnelle Regelung über kurze Zeiten Kapazität: 10 Mill. Fahrzeuge 20 GW, 30 GWh (Annahme: 2/3 zeitliche Verfügbarkeit, 3 kw Anschlussleistung, 20% Kapazitätsnutzung von 15 jwh)

20 Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen Persönliche Optimierung des Strombezugs Einsatz von Speichern zur Optimierung des Eigenbedarfs Persönlicher Nutzen Strombezugspreis für Endkunden: ct/kwh Stromgestehungskosten neue PV-Anlagen: ~ 15,3 ct/kwh Stromgestehungskosten nach 20 Jahren EEG-Förderung: nahe 0 ct/kwh Doppelnutzen für zusätzliche Netzdienstleistungen im Kurzzeitspeicherbereich möglich Wirtschaftlich attraktiv für Betreiber Start Marktanreizprogramm der Bundesregierung im Mai 2013 Zahl der verkauften Hausspeicher in 2013 geschätzt etwa 7000 Bild: Wiikmedia Commons Einfluss der Entladetiefe auf die Lebensdauer und damit Lebenszykluskosten Zyklenzahl [#] % DOD Entladetiefe bestimmt die Alterung und damit die Kosten! Messwert: % DOD % DOD Nennzyklen (3.000) Zyklen (3.000) Zyklen % 20% 40% 60% 80% 100% Entladetiefe [%]

21 Kapazitätsbezogene Investkosten steigen für dezentrale Speicher, aber auch deren Nutzen Zentralspeicher Regionalspeicher Lokalspeicher Energiehandel, Ausgleich Angebot und Nachfrage Reserveleistungen, Blindleistung... Spitzenlastmanagement Netzentlastung... Eigennutzung von EE USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) (unvollständige Liste)... Für Dezentrale Speicher lässt sich leichter Kapital von Kleinanleger bekommen Privatanleger sind mit etwa 3% Kapitalertrag zufrieden, Großinvestoren brauchen 7 bis 10% Kapitalertrag Politik: Bürger am Netzausbau beteiligen Für den Netzausbau muss bei den betroffenen Anliegern für Akzeptanz geworben werden. Neben frühzeitiger und intensiver Konsultation der Vorhaben kann dazu auch eine finanziell attraktive Beteiligung der betroffenen Bürgerinnen und Bürger an der Wertschöpfung sowie eine Überprüfung der derzeitigen Entschädigungspraxis beitragen. Muss genauso für Speicher gelten, ist aber vor allem für dezentrale Speicher interessant.

22 Klassifizierung der Speicheranwendungen ist notwendig Elektr. Speichertechnologien nur als Beispiele Kurzzeitspeicher Tagesspeicher Langzeitspeicher bis 15 min 1 5 Stunden Tage bis Wochen Zentrale Speichersysteme 100 MW 1 GW Modulare Speichersysteme Modulare Speicher mit Doppelnutzen Kiel Direkter Wettbewerb im Energiemarkt 1 kw 100 MW 1 kw 1 MW Batteriespeicher Elektromobilität Pumpspeicher Redox-flow-Batt. Eigenverbrauch in PV-Anlagen. Gasspeicher Zusammenfassung Probleme der Energiespeicherung sind nicht fehlende Technologien oder verfügbarer Platz sondern die Wirtschaftlichkeit! Wirtschaftlicher Betrieb verlangt eine hohe Zahl von Zyklen bzw. Volllaststunden. Wo (Übertragungs-)Netze ausgebaut werden können, ist dies quasi immer die wirtschaftlichere Alternative. Primäres Ziel sind nicht neue Speichertechnologien, sondern Technologien mit geringeren Lebenszykluskosten. Technologie muss weiterentwickelt werden, um die Lebenszykluskosten zu verringern (Lebensdauer, Materialien, Wirkungsgrade). Der Ausbau erneuerbarer Energien kann noch lange durch diverse Flexibilitätsoptionen und sowieso kommende Speicher weitergehen.